基于低精度ADC接收機的大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)性能研究.pdf

1、為應對移動通信業(yè)務量的持續(xù)迅猛增長，第五代(5G)移動通信系統(tǒng)要求能夠提供千倍數(shù)量級的容量增長以及支持每秒高達數(shù)千兆比特的高速數(shù)據(jù)傳輸。在無線資源日趨緊張的情況下，大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)能夠充分挖掘空間資源，大幅提升頻譜效率和能量效率，成為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一。在帶來巨大性能增益的同時，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)面臨著海量數(shù)據(jù)處理、硬件成本昂貴、系統(tǒng)總功率消耗龐大等問題。有效解決上述問題的技術(shù)手段之一是降低接收機中模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)

2、的精度，從而達到以低成本、低功耗、低復雜度部署大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的目的。本文將針對采用低精度ADC接收機的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)展開研究，重點考察低精度量化對系統(tǒng)性能與信道估計帶來的影響。
　　首先，研究低精度量化大規(guī)模MIMO系統(tǒng)基于理想信道狀態(tài)信息(CSI)的可達速率與能量效率。通過對量化相關(guān)文獻進行調(diào)研，選擇加性噪聲模型對ADC量化過程進行建模，得到用于分析有限精度量化的系統(tǒng)模型，在此基礎上假設接收端已知CSI，推導出基站采用最

3、大比合并接收(MRC)時的上行可達速率近似表達式。隨后基于該近似式研究量化比特數(shù)、發(fā)送功率等參數(shù)對可達和速率的影響，重點對比有限精度量化與理想量化的性能差異。接下來對發(fā)射機功耗進行簡單建模，研究能量效率與量化比特數(shù)的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，在基站端配置低精度ADC接收機在保證和速率損失較小的條件下，能夠顯著提升能量效率。
　　接著，研究低精度量化大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的信道估計，并對導頻發(fā)送功率及長度進行優(yōu)化?？紤]基于導頻訓練獲取CSI

4、的時分雙工制式的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)模型，給出利用最小均方誤差(MMSE)信道估計對數(shù)據(jù)進行MRC接收時的用戶遍歷速率定義式，通過對遍歷速率定義式進行合理有效近似，得到基于MMSE信道估計的近似可達速率顯示表達式，在此基礎上對特殊場景進行分析，同時利用該式對導頻長度、導頻與數(shù)據(jù)的發(fā)送功率提出三種不同的優(yōu)化方式。仿真結(jié)果表明，考慮ADC量化將會給信道估計與導頻優(yōu)化帶來較大影響，在量化精度較低的情況下，增加導頻序列長度能比增加導頻發(fā)送功率更有

5、效提升信道估計質(zhì)量，獲得更高的和速率性能。
　　最后，研究混合精度ADC架構(gòu)的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)基于理想CSI的可達速率與能量效率。首先建立基站配置混合精度ADC接收機的系統(tǒng)模型，然后給出混合ADC架構(gòu)下大規(guī)模MIMO系統(tǒng)利用理想CSI進行MRC接收時的可達速率近似表達。緊接著分析接收機各部分功耗，考慮ADC結(jié)構(gòu)差異對配置不同量化精度ADC的接收機功耗進行建模，并將其用于能量效率分析。仿真結(jié)果表明，與統(tǒng)一配置高精度ADC接收機相比